6.4: Síntesis de Proteínas

El dogma central de la biología

Tu ADN, o ácido desoxirribonucleico, contiene los genes que determinan quién eres. ¿Cómo puede esta molécula orgánica controlar tus características? El ADN contiene instrucciones para todas las proteínas que produce tu cuerpo. Las proteínas, a su vez, determinan la estructura y función de todas tus células. ¿Qué determina la estructura de una proteína? Comienza con la secuencia de aminoácidos que componen la proteína. Las instrucciones para elaborar proteínas con la secuencia correcta de aminoácidos están codificadas en el ADN.

Figura\(\PageIndex{1}\): Transcripción y traducción (Síntesis de proteínas) en una célula.

El ADN se encuentra en los cromosomas. En las células eucariotas, los cromosomas siempre permanecen en el núcleo, pero las proteínas se elaboran en los ribosomas en el citoplasma o en el retículo endoplásmico rugoso (RER). ¿Cómo llegan las instrucciones en el ADN al sitio de síntesis de proteínas fuera del núcleo? Otro tipo de ácido nucleico es el responsable. Este ácido nucleico es ARN o ácido ribonucleico. El ARN es una molécula pequeña que puede exprimir a través de los poros en la membrana nuclear. Lleva la información del ADN en el núcleo a un ribosoma en el citoplasma y luego ayuda a ensamblar la proteína. En resumen:

ADN → ARN → Proteína

Descubrir esta secuencia de eventos fue un hito importante en la biología molecular. Se le llama el dogma central de la biología. Los dos procesos involucrados en el dogma central son la transcripción y la traducción.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una visión general de la transcripción y traducción. El panel superior muestra un gen. Un gen está compuesto por el marco de lectura abierto (también conocido como secuencia codificante) que está flanqueado por secuencias reguladoras. Al inicio del gen, la secuencia reguladora contiene un promotor donde la ARN polimerasa se une e inicia la transcripción. Al final del marco de lectura abierto, la secuencia reguladora contiene un terminador (no mostrado) El panel central muestra un pre ARNm que se modifica escindiendo intrones y manteniendo exones. Esto se llama modificación posterior a la transcripción. Un ARNm maduro contiene una caperuza 5' y una cola poli-A. El panel inferior muestra una síntesis de proteína vía traducción.

Transcripción

La transcripción es la primera parte del dogma central de la biología molecular: ADN → ARN. Es la transferencia de instrucciones genéticas en ADN a ARNm. La transcripción ocurre en el núcleo de la célula. Durante la transcripción, se elabora una cadena de ARNm que es complementaria a una cadena de ADN llamada gen. Un gen se puede identificar fácilmente a partir de la secuencia de ADN. Un gen contiene las tres regiones básicas, promotor, secuencia codificante (marco de lectura) y terminador. Hay más partes de un gen que se ilustran en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Los componentes principales de un gen. 1. promotor, 2. iniciación de la transcripción, 3. 5' región no traducida aguas arriba, 4. sitio del codón de inicio de la traducción, 5. secuencia codificante de proteína, 6. región del codón de terminación de la traducción, región no traducida 7. 3' aguas abajo, y terminador 8.

Pasos de la Transcripción

La transcripción se lleva a cabo en tres etapas, llamadas iniciación, elongación y terminación. Los pasos se ilustran en la Figura\(\PageIndex{4}\).

1. La iniciación es el inicio de la transcripción. Ocurre cuando la enzima ARN polimerasa se une a una región de un gen llamado promotor. Esto indica que el ADN se desenrolle para que la enzima pueda “leer” las bases en una de las cadenas de ADN. La enzima está lista para hacer una cadena de ARNm con una secuencia complementaria de bases. El promotor no forma parte del ARNm resultante
2. La elongación es la adición de nucleótidos a la cadena de ARNm.
3. La terminación es el final de la transcripción. A medida que la ARN polimerasa transcribe el terminador, éste se desprende del ADN. La cadena de ARNm se completa después de esta etapa.

   

   Figura\(\PageIndex{4}\): La transcripción ocurre en las tres etapas: iniciación, elongación y terminación

Procesamiento de ARNm

En eucariotas, el nuevo ARNm aún no está listo para su traducción. En esta etapa, se le llama pre-ARNm, y debe pasar por un mayor procesamiento antes de que salga del núcleo como ARNm maduro. El procesamiento puede incluir la adición de una tapa 5', corte y empalme, edición y cola de poliadenilación 3' (poli-A). Estos procesos modifican el ARNm de diversas maneras. Dichas modificaciones permiten utilizar un solo gen para elaborar más de una proteína. Vea la Figura\(\PageIndex{5}\) a medida que lee a continuación:

• La tapa 5' protege el ARNm en el citoplasma y ayuda en la unión del ARNm con el ribosoma para su traducción.
• El corte y empalme elimina los intrones de la secuencia codificante de proteínas del ARNm. Los intrones son regiones que no codifican para la proteína. El ARNm restante consiste únicamente en regiones llamadas exones que sí codifican para la proteína.
• La edición cambia algunos de los nucleótidos en el ARNm. Por ejemplo, una proteína humana llamada APOB, que ayuda a transportar lípidos en la sangre, tiene dos formas diferentes debido a la edición. Una forma es más pequeña que la otra porque la edición agrega una señal de parada más temprana en el ARNm.
• La poliadenilación agrega una “cola” al ARNm. La cola consiste en una cadena de As (bases de adenina). Señala el final del ARNm. También participa en la exportación de ARNm desde el núcleo, y protege al ARNm de enzimas que podrían descomponerlo.

Figura\(\PageIndex{5}\): El empalme elimina intrones del ARNm. El ARNm maduro se traduce en proteína.

Traducción

La traducción es la segunda parte del dogma central de la biología molecular: ARN —> Proteína. Es el proceso en el que se lee el código genético en el ARNm para hacer una proteína. La traducción se ilustra en la Figura\(\PageIndex{6}\). Después de que el ARNm abandona el núcleo, se traslada a un ribosoma, que consiste en ARNr y proteínas. La traducción ocurre en los ribosomas que flotan en el citosol, o en los ribosomas unidos al retículo endoplásmico rugoso. El ribosoma lee la secuencia de codones en ARNm, y las moléculas de ARNt llevan aminoácidos al ribosoma en la secuencia correcta.

Para entender el papel del ARNt, es necesario conocer más sobre su estructura. Cada molécula de ARNt tiene un anticodón para el aminoácido que lleva. Un anticodón es complementario al codón para un aminoácido. Por ejemplo, el aminoácido lisina tiene el codón AAG, por lo que el anticodón es UUC. Por lo tanto, la lisina sería transportada por una molécula de ARNt con el anticodón UUC. Dondequiera que el codón AAG aparezca en el ARNm, un anticodón UUC de ARNt se une temporalmente. Mientras se une al ARNm, el ARNt cede su aminoácido. Con la ayuda del ARNr, se forman enlaces entre los aminoácidos a medida que se llevan uno por uno al ribosoma, creando una cadena polipeptídica. La cadena de aminoácidos sigue creciendo hasta que se alcanza un codón de parada.

Los ribosomas, que recién están hechos de ARNr (ARN ribosómico) y proteína, se han clasificado como ribozimas debido a que el ARNr tiene actividad enzimática. El ARNr es importante para la actividad peptidil-transferasa que une aminoácidos. Los ribosomas tienen dos subunidades de ARNr y proteína. La subunidad grande tiene tres sitios activos llamados sitios E, P y A. Estos sitios son importantes en la actividad catalítica de los ribosomas.

Al igual que con la síntesis de ARNm, la síntesis de proteínas se puede dividir en tres fases: iniciación, elongación y terminación. Además del molde de ARNm, muchas otras moléculas contribuyen al proceso de traducción, tales como ribosomas, ARNt y diversos factores enzimáticos

Iniciación de la traducción: La subunidad pequeña se une a un sitio aguas arriba (en el lado 5') del inicio del ARNm. Se procede a escanear el ARNm en la dirección 5'—>3' hasta que encuentra el codón START (AUG). La subunidad grande se une y el ARNt iniciador, que porta metionina (Met), se une al sitio P en el ribosoma.

Alargamiento de la Traducción: El ribosoma desplaza un codón a la vez, catalizando cada proceso que ocurre en los tres sitios. Con cada etapa, un ARNt cargado ingresa al complejo, el polipéptido se vuelve un aminoácido más largo y se aparta un ARNt sin carga. La energía para cada enlace entre aminoácidos se deriva de GTP, una molécula similar al ATP. Brevemente, los ribosomas interactúan con otras moléculas de ARN para hacer cadenas de aminoácidos llamadas cadenas polipeptídicas, debido al enlace peptídico que se forma entre los aminoácidos individuales. Dentro del ribosoma, tres sitios participan en el proceso de traducción, los sitios A, P y E. Sorprendentemente, el aparato de traducción de E. coli tarda solo 0.05 segundos en agregar cada aminoácido, lo que significa que un polipéptido de 200 aminoácidos podría traducirse en solo 10 segundos.

Terminación de la traducción: La terminación de la traducción ocurre cuando se encuentra un codón de parada (UAA, UAG o UGA) (ver Figura\(\PageIndex{7}\). Cuando el ribosoma se encuentra con el codón de parada, el polipéptido en crecimiento se libera con la ayuda de varios factores de liberación y las subunidades del ribosoma se disocian y dejan el ARNm. Después de que muchos ribosomas hayan completado la traducción, el ARNm se degrada por lo que los nucleótidos se pueden reutilizar en otra reacción de transcripción.

Figura\(\PageIndex{6}\): En la fase de inicio, el ARNt iniciador que porta metionina con su anticodón encuentra el codón de inicio AUG en el sitio P del ribosoma. Durante la elongación, el ribosoma se transloca en la dirección 5' a 3' del ARNm, momento en el que los aminoácidos del ARNt en el sitio P y el aminoácido del ARNt en el sitio A de la subunidad grande se unen entre sí a través de un enlace peptídico. Este movimiento repetido del ribosoma crea una larga cadena de aminoácidos basada en los codones en el ARNm. A medida que el ribosoma se transloca, el ARNt sale del ribosoma a través del sitio E, mientras que el nuevo ARNt ingresa al sitio A para continuar alargando la cadena de aminoácidos.

Figura\(\PageIndex{7}\). Resumen de la traducción de proteínas. Durante el inicio, ambas subunidades ribosómicas, ARNm y ARNt iniciador se unen. El anticodón iniciador del enlace de hidrógeno del ARNt iniciador con el codón de inicio. Durante la elongación, el ARNt aporta aminoácidos uno por uno para agregarlos a la cadena polipeptídica. Durante la terminación, el factor de liberación reconoce el codón de terminación, todos los componentes se disocian y se libera el polipéptido completado.

¿Qué sucede después?

Después de sintetizar una cadena polipeptídica, puede someterse a procesos adicionales. Por ejemplo, puede asumir una forma terciaria plegada debido a interacciones entre sus aminoácidos. También puede unirse con otros polipéptidos o con diferentes tipos de moléculas, como lípidos o carbohidratos. Muchas proteínas viajan al aparato de Golgi dentro del citoplasma para ser modificadas para el trabajo específico que harán.

Resumen de Central Dogma

Figura\(\PageIndex{8}\): El dogma central: Las instrucciones sobre el ADN se transcriben en ARN mensajero. Los ribosomas son capaces de leer la información genética inscrita en una cadena de ARN mensajero y usar esta información para encadenar aminoácidos juntos en una proteína.

Revisar

1. Relacionar la síntesis de proteínas y sus dos fases principales con el dogma central de la biología molecular.
2. Identificar los pasos de transcripción y resumir lo que sucede durante cada paso.
3. Explique cómo se procesa el ARNm antes de que salga del núcleo.
4. Describir lo que ocurre durante la fase de traducción de la síntesis de proteínas.
5. ¿Qué procesos adicionales puede sufrir una cadena polipeptídica después de ser sintetizada?
6. ¿Dónde tiene lugar la transcripción en eucariotas?
7. ¿Dónde se lleva a cabo la traducción?
8. ¿Qué tipo de ARN (ARNm, ARNr o ARNt) se ajusta mejor a cada una de las siguientes afirmaciones? Elija solo un tipo para cada uno.
   1. Contiene los codones
   2. Contiene los anticodones
   3. Conforma el ribosoma, junto con las proteínas
9. Si el ADN tiene un código triplete de CAG en una cadena (la cadena utilizada como molde para la transcripción),
   1. ¿Cuál es la secuencia complementaria en la otra cadena de ADN?
   2. ¿Cuál es la secuencia complementaria en el ARNm? ¿Cómo se llama esta secuencia?
   3. @hat es la secuencia resultante en el ARNt? ¿Cómo se llama esta secuencia? ¿Qué nota de esta secuencia comparada con el triplete de ADN original en la cadena molde?
10. El promotor es una región ubicada en:
    1. ADN
    2. mRNA
    3. ARNt
    4. Tanto A como B
11. Verdadero o Falso. Los intrones en el ARNm se unen al ARNt en el ribosoma.
12. Verdadero o Falso. Los ARNt pueden considerarse como el enlace entre aminoácidos y codones en el ARNm.

Explora más

https://bio.libretexts.org/link?16749#Explore_More

Las moléculas de ARN mensajero se “empalman” para crear el ARNm involucrado en la síntesis de proteínas. Conoce el proceso aquí:

Atribuciones

1. Cómo las proteínas son elaboradas por Nicolle Rager, Fundación Nacional de Ciencias, dominio público vía Wikimedia Commons
2. Estructura génica eucariota por Thomas Shafee, con licencia CC BY 4.0 vía Wikimedia Commons
3. Componentes de un gen de Mandeep Grewal, CC BY 4.0
4. Transcripción de Calibuon, liberada al dominio público vía Wikimedia Commons
5. Transcripción y empalme por Ganeshmanohar, CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons
6. Iniciación y elongación por Jordan Nguyen, CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons
7. Síntesis de proteínas por OpenStax, CC BY 4.0
8. Regulación génica por OpenStax, CC BY 4.0
9. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0